Hliníkové keramické zubní implantáty - vlastnosti, indikace a úvahy o návrhu preparace

Keramický materiál z oxidu hlinitého se rychle prosadil ve stomatologii díky svým vynikajícím klinickým vlastnostem a používá se pro fixní náhrady. Tento článek se hlouběji zabývá jeho vlastnostmi, indikacemi, úvahami o návrhu preparace a použitím.

Hliník je extrémně odolná technická keramika, známá svou mechanickou pevností, chemickou stabilitou a biokompatibilitou. Tyto vlastnosti se zlepšují s rostoucím stupněm čistoty; výroba zahrnuje lisování prášku za sucha pomocí hydraulických nebo mechanických lisů; po vytvoření se pak musí vypálit, aby získal hustotu.

Tvrdost

Oxid hlinitý je extrémně houževnatá a pružná keramika s tvrdostí 9 stupňů podle Mohse, která nabízí vynikající odolnost proti opotřebení, takže je ideálním materiálem pro použití v řezných nástrojích, tažných matricích, vytlačovacích matricích, tryskách pro lisování a elektrické izolaci. Kromě toho vykazuje oxid hlinitý vynikající chemickou odolnost, protože je vhodný do kyselého a zásaditého prostředí, zatímco stupně vyšší čistoty nabízejí zvýšenou odolnost proti korozi.

Koroze oxidu hlinitého závisí na jeho minerální struktuře a obsahu nečistot, přičemž nečistoty usazené během výpalu způsobují přednostní korozi na hranicích zrn keramických materiálů z oxidu hlinitého. Toto poškození dále urychlují vysoké koncentrace kyselin nebo alkalických roztoků; pro zvýšení korozní odolnosti této keramiky je třeba odpovídajícím způsobem zvýšit množství fází oxidu křemičitého, mullitu a korundu.

Výrobci mohou pomocí různých procesů broušení a slinování vytvořit keramický výrobek z oxidu hlinitého s přesnými rozměry. Granule práškového oxidu hlinitého se stlačí metodami suchého nebo studeného izostatického lisování a poté se pomocí řízené chemie slinují, aby vznikla jejich konečná podoba - nebo se místo toho mohou vyrobit vstřikováním.

Hliníková keramika je pokročilá technická keramika s mnoha žádoucími vlastnostmi, jako je vysoká teplotní stabilita, tvrdost a odolnost proti opotřebení, biokompatibilita a inertnost, díky nimž je vhodná pro řadu aplikací včetně snímačů tlaku, zařízení pro měření průtoku kapalin, součástek elektronových trubic pro laserové komponenty a rentgenová zařízení. Hliník lze také použít k výrobě keramických průchodek mezi kovy a speciálních kelímků používaných v metalurgických procesech tepelného zpracování; díky své pevnosti, houževnatosti a odolnosti proti otěru je tento materiál zvláště vhodný pro aplikace v neprůstřelných brněních.

Odolnost proti korozi

Hliníková keramika má vysokou odolnost proti korozi a často se používá v průmyslových zařízeních, která musí odolávat působení různých látek. Hliníkovou keramiku lze díky její biokompatibilitě a mechanické pevnosti nalézt také v zubních a ortopedických implantátech; mezi výrobní metody patří lisování za sucha, izostatické lisování, odlévání pásky, vytlačování a vstřikování.

Tepelná stabilita keramického oxidu hlinitého závisí na jeho koeficientu tepelné roztažnosti, který určuje, jak se při zahřívání nebo ochlazování rozpíná nebo smršťuje, což z něj činí ideální materiál pro aplikace vyžadující neustálé změny teploty. Jeho stabilita se však může měnit v závislosti na jeho velikosti a tvaru při výrobě - například pokud je vyroben do velkých bloků s úzkými otvory, které se při ochlazování uzavřou, může to vést k problémům s praskáním nebo deformací při dalším ochlazování materiálu.

Bylo také zjištěno, že velikost zrn významně ovlivňuje odolnost korundové keramiky proti opotřebení. Studie odhalily, že keramika s menší velikostí zrn má lepší vlastnosti odolnosti proti opotřebení díky menším třecím silám mezi zrny, které jsou způsobeny menšími styčnými plochami mezi jednotlivými zrny a menšími styčnými plochami - tato menší zrna mají pravděpodobně také méně vzájemných kontaktních bodů, a proto vytvářejí celkově menší třecí sílu.

Hliníkovou keramiku lze tvarovat do mnoha různých tvarů a je ideální pro celou řadu aplikací. Díky své tvrdosti 9 stupňů podle Mohse a vynikající chemické odolnosti jsou užitečné při výrobě nástrojů a brusných kotoučů; dále jsou to vynikající brusné výrobky, jako jsou tažné formy, vytlačovací formy a ložiska; zatímco díky své vynikající pevnosti a izolačním vlastnostem jsou vhodné pro zapalovací svíčky, pláště obvodů, vakuové součástky a zapalovací svíčky.

Tepelná stabilita

Hliníková keramika má nízkou tepelnou roztažnost, což z ní činí ideální materiál pro vysokoteplotní aplikace, jako jsou ty, při nichž se používají nástroje z karbidu wolframu. Její odolnost vůči chemické korozi ji činí ještě žádanější; bez výskytu chemické koroze lze snášet teploty až do 1000 stupňů C, přičemž nabízí také vynikající odolnost proti otěru a nárazu, což z korundové keramiky činí vynikající volbu při řezání tvrdých materiálů, jako je tento.

Hliník se často používá v lékařských aplikacích díky své pevnosti a odolnosti. Hypoalergenní a netoxický oxid hlinitý se používá jako materiál pro náhradu kostí nebo zubní implantáty - pro úspěšnou aplikaci však musí mít úzkou distribuci zrn bez problémů s pórovitostí.

Bylo vyvinuto několik metod pro zvýšení žádoucích vlastností oxidu hlinitého. Ke zvýšení lomové houževnatosti a únavové odolnosti oxidu hlinitého lze přidat rutil. Kromě toho dopování lanthanem, bórem nebo cínem zvýší tepelnou stabilitu tohoto materiálu.

Zkoumá se vliv dopování cínem na mezoporézní strukturu a chemickou stabilitu g-aluminu. Vzorky byly připraveny pomocí práškové metalurgie s použitím různých poměrů oxidu hlinitého (A/T), poté byly kalcinovány při teplotě 500 stupňů C po dobu dvou hodin a následně byly vyrobeny zelené kompakty jednoosým lisováním před spékáním při teplotě 1650 stupňů C/2 h v elektrické peci.

Poté se u těchto kompaktů testovala pevnost CCS a MOR, přičemž se zvyšujícím se přídavkem cínu se zvyšovaly hodnoty mechanické pevnosti. To lze vysvětlit tvorbou fáze AlBO3 vedle g-hliníku během spékání; hliník dopovaný cínem pomáhá udržovat mezoporézní strukturu a zároveň brání přeměně g-hliníku na a-hliník i při zvýšených teplotách.

Vodivost

Tepelná vodivost je pro keramiku zásadní vlastností, protože umožňuje účinně přenášet teplo na velkých plochách, například na pánvích nebo elektrických součástkách. Zejména keramika s obsahem oxidu hlinitého vyniká v této oblasti díky své vysoké tepelné vodivosti a nízké objemové hmotnosti.

Tepelná vodivost oxidu hlinitého se může výrazně lišit v závislosti na stupni čistoty a teplotních podmínkách, úrovni pórovitosti a použitých metodách zpracování. Pro optimalizaci těchto odchylek a výrobu keramických součástí, které při návrhu fungují co nejlépe, je třeba využívat cílené návrhy matric se specifickými metodami zpracování a od výrobců by měly být poskytnuty příslušné technické údaje pro referenční účely nebo by měly být při návrhu součástí s použitím tohoto materiálu provedeny specifické testy.

Dalším faktorem, který ovlivňuje výkonnost keramiky z oxidu hlinitého, je koeficient tepelné roztažnosti, který udává, jak moc se mění její velikost při kolísání teploty. Nižší koeficient znamená menší namáhání při změnách, což je vhodné pro lékařské přístroje a ortopedické kloubní plochy.

Hliníková keramika se vyznačuje nízkým koeficientem tepelné roztažnosti a vysokou teplotou tání a pevností, takže je vhodná pro různá průmyslová použití, včetně tavicích/odlévacích kelímků, průchodek mezi keramikou a kovem, průchodek pro rentgenové komponenty, vysokonapěťových pouzder a vysokonapěťových průchodek.

Kromě toho má keramika z oxidu hlinitého vynikající odolnost proti opotřebení a lze ji vyrábět v různých tvarech pro různé aplikace. Její míra opotřebení však závisí na kvalitě suroviny použité při výrobě, takže pro dosažení optimálních výsledků při výrobě této keramiky je nezbytné, aby byla pro výrobní účely vybrána pouze vysoce kvalitní surovina.

Síla

Pevnost je jednou z hlavních předností korundové keramiky, protože umožňuje odolávat extrémnímu namáhání a stresu, aniž by se rozbila. Vysoká hustota aluminokeramiky jí umožňuje odolávat tlakovým zatížením, aniž by se rozdrtila, a zároveň nabízí velkou pevnost v ohybu a tahu, díky čemuž je vhodná pro různé aplikace.

Další klíčovou vlastností keramiky z oxidu hlinitého je odolnost proti korozi. Vzhledem k chemickému složení a mikrostruktuře je korozní rychlost korundové keramiky mnohem nižší než u kovů; přidání La2O3 navíc zvyšuje korozní odolnost, protože zpevňuje krystalové struktury a současně snižuje rozpustnost v kyselinách.

Hliník může sloužit jako ekonomická náhrada mědi v elektrických zařízeních a přístrojích, jako jsou vakuové pumpy, rozprašovací terče, elektronové trubice a laserové součástky. Hliník nachází široké uplatnění také v metalurgii a chemickém zpracování, např. v průchodkách mezi kovy (průchodky hliník-kov), kuličkách pro uvolnění napětí (pro uvolnění napětí při svařování/tepelném zpracování), tepelných izolátorech chránících obrobky při svařování/tepelném zpracování a také ve speciálních kelímcích z oxidu hlinitého.

Hliníková keramika je vynikajícím materiálem pro výrobu ortopedických implantátů a zdravotnických prostředků, protože v kombinaci s různými biologickými materiály nevyvolává toxické ani alergické reakce. Hliníkovou keramiku lze dokonce vyrábět do protetických zařízení, jako jsou totální kolenní náhrady (TKR) tvořené kovovými kondyly kloubně spojenými s tibiálními ploténkami z UHMWPE - ideální pro protetické aplikace, jako jsou totální kolenní náhrady (TKR).

Hliníková keramika má vynikající tepelnou stabilitu, protože se při změnách teploty výrazně neroztahuje. Díky tomu je vynikající volbou materiálu pro použití v prostředí s vysokými teplotami nebo v aplikacích, kde dochází k tepelným šokům, jako jsou vyzdívky vysokoteplotních pecí v průmyslu a pro vojenské účely, např. neprůstřelné pancíře.